汽車電子系統(tǒng)的可靠性

最近幾十年來，汽車行業(yè)的諸多創(chuàng)新技術(shù)大部分得益于電子技術(shù)的進(jìn)步。雖然現(xiàn)在大部分車輛上幾乎沒有什么功能不會(huì)受到電子器件的影響，但是電子器件的創(chuàng)新還是具有相當(dāng)大的潛力，尤其是在駕乘舒適性和安全應(yīng)用方面。據(jù)預(yù)測，電子器件對典型汽車的貢獻(xiàn)值將會(huì)繼續(xù)提高，由現(xiàn)在的20%左右增加至2030年的近40%。隨著電子控制單元和應(yīng)用數(shù)量的穩(wěn)步增長，以及，最重要的是，這些單元和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化程度的不斷提高，從而使得系統(tǒng)級和車輛級的復(fù)雜度將不斷加大。

電子系統(tǒng)的日益復(fù)雜

　　隨著汽車電子系統(tǒng)的日益普及和日漸復(fù)雜，由電子器件造成的故障風(fēng)險(xiǎn)將明顯增加。根據(jù)德國汽車組織——德國汽車俱樂部 (ADAC) 2005年所做的一項(xiàng)調(diào)查，電氣和電子系統(tǒng)問題仍然是汽車故障最常見的原因。雖然由微控制器、傳感器、功率半導(dǎo)體以及其它半導(dǎo)體產(chǎn)品的缺陷引發(fā)的故障(其中由電池引起的故障最多)，從統(tǒng)計(jì)角度而言占車輛故障總數(shù)的比例幾乎可以忽略不計(jì)，但是半導(dǎo)體行業(yè)，作為汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，仍然對車輛質(zhì)量和可靠性負(fù)有特定的責(zé)任。半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)設(shè)法大大降低了芯片的缺陷率，但仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)——其目標(biāo)缺陷率必須低于百萬分之一。每輛汽車中都有50個(gè)左右的電子控制單元，每個(gè)單元由大約300個(gè)電子元件組成，百萬分之一的缺陷率仍然相當(dāng)于每一百萬部車輛上有15,000個(gè)潛在故障(雖然，實(shí)際上，一些電子元件導(dǎo)致的故障可以由系統(tǒng)制造商的冗余設(shè)計(jì)所避免)。

卓越汽車產(chǎn)品(Automotive Excellence)計(jì)劃

　　歸根結(jié)底，我們的目標(biāo)是：必須從一開始就避免缺陷，而不僅僅是通過故障溯源方法來降低故障率。英飛凌的長期計(jì)劃，如Automotive Excellence計(jì)劃，對生產(chǎn)流程及其管理進(jìn)行了系統(tǒng)化的改進(jìn)，有助于將半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量提高到必要的水平(圖 1)。Automotive Excellence 計(jì)劃明確了四個(gè)主要方面：產(chǎn)品、生產(chǎn)、人員和流程，并且制定了非常遠(yuǎn)大的目標(biāo)。該計(jì)劃的目標(biāo)是要將每一百萬顆芯片的故障率降低到零。本文將探討如何從生產(chǎn)和人員兩個(gè)層面入手，來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖1 英飛凌的 Automotive Excellence 計(jì)劃主要涵蓋產(chǎn)品、生產(chǎn)、人員和流程，
支撐這一計(jì)劃的包括管理制度、零缺陷文化，以及各種工具和基本的質(zhì)量管理方法

　　生產(chǎn)和資質(zhì)是流程鏈中的兩個(gè)環(huán)節(jié)，流程鏈從面向客戶的產(chǎn)品規(guī)范和開發(fā)開始，一直到最重要的最終測試和物流階段。平均而言，生產(chǎn)一枚芯片涉及400個(gè)步驟(圖 2)。較大的缺陷以及那些在整個(gè)系統(tǒng)組裝完畢之后才出現(xiàn)的缺陷，只能在制成品的最終測試中才能被發(fā)現(xiàn)，這一缺陷必須追溯到流程鏈的開始階段。芯片要用幾個(gè)星期的時(shí)間檢查整個(gè)生產(chǎn)過程，糾正問題并從中汲取教訓(xùn)，因此這是一個(gè)相當(dāng)費(fèi)力的過程。英飛凌已經(jīng)引入了貫穿整個(gè)流程鏈的綜合性測試和補(bǔ)救措施，以便能夠盡早(甚至在規(guī)范制訂和開發(fā)階段)發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖 2 生產(chǎn)芯片的晶圓廠的無塵車間。平均而言，生產(chǎn)一枚芯片需要400個(gè)
步驟，從生產(chǎn)的第一步開始到最終的測試階段大約歷時(shí)三個(gè)月時(shí)間

　　原則上講，產(chǎn)品的可靠性早在設(shè)計(jì)階段就已注定，因此，需求管理作為英飛凌的一個(gè)統(tǒng)一措施，如今已成為Automotive Excellence 計(jì)劃的組成部分。盡可能早在產(chǎn)品規(guī)范制訂階段就完整、系統(tǒng)地記錄對產(chǎn)品的所有要求。這些要求在產(chǎn)品開發(fā)的每個(gè)階段都要進(jìn)行審核，從而確保全面滿足這些要求。

英飛凌還在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的起步階段，就開始模擬產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的使用情況。主要客戶密切參與產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)階段。對故障源頭及其隱藏的危害進(jìn)行分析和評估，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。在這個(gè)過程中，英飛凌采用了系統(tǒng)化的方式，涵蓋芯片、與芯片封裝的電氣連接、封裝、芯片和封裝的交互、生產(chǎn)過程中預(yù)期的效應(yīng)，以及在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的預(yù)期影響等。

評估風(fēng)險(xiǎn)

　　產(chǎn)品開發(fā)流程也會(huì)根據(jù)汽車電子器件的質(zhì)量要求的提高進(jìn)行修改。英飛凌已經(jīng)設(shè)立了一個(gè)設(shè)計(jì)變更控制工作組，其任務(wù)包括對在產(chǎn)品規(guī)范已經(jīng)完成后進(jìn)行修改會(huì)有哪些潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。英飛凌還設(shè)立了一個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作組，它獨(dú)立于開發(fā)小組，主要任務(wù)是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合產(chǎn)品規(guī)范。

　　風(fēng)險(xiǎn)評估也是其它流程步驟的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。故障模式和效應(yīng)分析是一種基于工具的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，貫穿整個(gè)階段。對于芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與封裝，以及芯片面向的應(yīng)用，都要進(jìn)行潛在的風(fēng)險(xiǎn)分析，對發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，然后采取相應(yīng)措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。

　　規(guī)定批次、晶圓和產(chǎn)品級的殘次品比率也有助于確保質(zhì)量水準(zhǔn)(圖 3)。英飛凌對所有產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，淘汰那些異常的批次。這種方法一開始可能會(huì)使成本增加，但事實(shí)并非如此：一旦某批材料被淘汰，就會(huì)實(shí)施補(bǔ)救措施，而實(shí)際獲得的好處，要超過這一措施一開始對產(chǎn)量造成的負(fù)面影響。

圖 3 晶圓廠是芯片制造的源頭。晶圓是圓形的硅盤，直徑一般為200mm或300mm。
根據(jù)晶圓的尺寸以及集成電路的復(fù)雜度—一個(gè)晶圓可同時(shí)生產(chǎn)100至2,000多枚芯片

　　雖然事先采取了各種預(yù)防措施和其它措施來提高質(zhì)量，但是仍然出現(xiàn)了質(zhì)量問題。在這種情況下，應(yīng)盡可能取回與該批產(chǎn)品相關(guān)的所有必要數(shù)據(jù)。英飛凌在生產(chǎn)流程中對每一批次進(jìn)行了清楚的劃分，以確保能夠做到這一點(diǎn)。掌握第一手相關(guān)資料可以限制缺陷批次的配送，并且可將受影響的產(chǎn)品的數(shù)量減至最少。然而，這種系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜而且成本高昂，因此，它僅適用于那些發(fā)揮重大安全作用的產(chǎn)品，如用于安全氣囊的器件等。

　　英飛凌在其Automotive Excellence計(jì)劃中采取的進(jìn)一步措施是在整個(gè)流程鏈的所有環(huán)節(jié)提供多個(gè)反饋機(jī)會(huì)。整個(gè)生產(chǎn)流程伴隨著穩(wěn)定的上游信息流。由于計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在甚至可以確定模擬或混合信號(hào)芯片的電子功能，并且在開始進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)之前，研究芯片與其它系統(tǒng)和軟件交互情況。

　　在生產(chǎn)過程中每個(gè)工藝步驟之后，都要對輸出參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢查，以盡快找出潛在的缺陷源頭。提供直接測量裝置參數(shù)的資源比如傳感器等的流程基礎(chǔ)設(shè)施，在這個(gè)環(huán)節(jié)非常重要，因?yàn)樗鼈兡軌蛄⒓窗l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品差異，允許操作人員在每個(gè)流程階段做出即時(shí)響應(yīng)。這種體制的優(yōu)點(diǎn)包括：整個(gè)流程鏈的穩(wěn)定性、降低用于分析和排除故障根源的成本和工作量，更低的損耗和產(chǎn)品差異，以及更快速的整體生產(chǎn)流程。英飛凌對最終測試階段的統(tǒng)計(jì)流程控制同樣設(shè)置了非常高的指標(biāo)：如果發(fā)現(xiàn)芯片的任何一方面沒有呈現(xiàn)高斯分布，即使芯片的功能在規(guī)范以內(nèi)，該芯片也不會(huì)投入使用。

優(yōu)異的產(chǎn)品質(zhì)量基于穩(wěn)定的生產(chǎn)流程

　　流程穩(wěn)定性是獲得優(yōu)異產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)基本要求。流程穩(wěn)定性部分取決于設(shè)備和工具的穩(wěn)定性，英飛凌通過一系列針對性的計(jì)劃來保持這一穩(wěn)定性。英飛凌對使用的生產(chǎn)設(shè)備和工具進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且縮短了維護(hù)和校準(zhǔn)周期，以幫助評估并消除與裝置故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。對自動(dòng)化流程監(jiān)測與控制采取一致措施，以及迅速完成質(zhì)量測定，能夠讓相關(guān)部門和人員戰(zhàn)略性地介入當(dāng)前和今后的生產(chǎn)步驟，從而克服生產(chǎn)中的差異，確保始終達(dá)到很高的質(zhì)量水平。

通過不斷改進(jìn)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)零缺陷目標(biāo)

　　所有這些措施的綜合效應(yīng)，已經(jīng)使英飛凌不僅大大降低了缺陷發(fā)生的頻率，而且顯著加快了其學(xué)習(xí)速度。但是，將缺陷率降至零，不僅僅涉及實(shí)際的生產(chǎn)流程。要實(shí)現(xiàn)這一遠(yuǎn)大的目標(biāo)還需要一定的心理素質(zhì)，員工對待缺陷和故障管理的態(tài)度，也發(fā)揮著同等重要的作用。英飛凌要求各級員工都要對產(chǎn)品質(zhì)量持一種客觀的和毫不妥協(xié)的態(tài)度。我們很容易將缺陷視為一支團(tuán)隊(duì)或是一名員工的失誤或錯(cuò)誤，并對他們的解決方法持審視的態(tài)度，但這在半導(dǎo)體行業(yè)是不適合的。半導(dǎo)體行業(yè)通過涉及幾百個(gè)獨(dú)立步驟的流程制造高度復(fù)雜的產(chǎn)品。然后，根據(jù)所用材料和編程，這些產(chǎn)品被用于各種應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中與其它系統(tǒng)交互，并和這些系統(tǒng)共享不計(jì)其數(shù)的接口。要完全消除這一復(fù)雜系統(tǒng)中的故障和不需要的交互，幾乎是不可能的，因此，所有相關(guān)人員都應(yīng)將看作科學(xué)和工程上的挑戰(zhàn)，而不是一味地責(zé)怪或批評。

圖 4 半導(dǎo)體生產(chǎn)中進(jìn)行的質(zhì)量檢測示例，目的是在從芯片的設(shè)計(jì)、開發(fā)到生產(chǎn)和測試，
以及銷售和物流的各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)零缺陷率。采用系統(tǒng)化的方法是實(shí)現(xiàn)零缺陷率的關(guān)鍵所在

　　總而言之，上述方法會(huì)帶來兩方面的效果：不斷改進(jìn)質(zhì)量使英飛凌成為一個(gè)能夠自我學(xué)習(xí)的組織；其零缺陷制度的成功典范，正在催生一種不愿容忍缺陷、竭盡所能避免缺陷的企業(yè)文化。一種基于零缺陷率的企業(yè)精神正孕育而生，這兩方面的效果正在向公司的其它部門傳播，甚至向生產(chǎn)領(lǐng)域之外的其它領(lǐng)域擴(kuò)散。

采用系統(tǒng)化的方式是實(shí)現(xiàn)零缺陷率的關(guān)鍵所在

　　英飛凌發(fā)現(xiàn)這些措施已經(jīng)取得了顯著的成果。在短短兩年時(shí)間之內(nèi)，公司百萬芯片零缺陷產(chǎn)品的比例已翻了一倍，達(dá)到60%，同時(shí)使缺陷率為百萬分之一的產(chǎn)品數(shù)量減少了50%。如今，公司生產(chǎn)的面向汽車電子系統(tǒng)的產(chǎn)品中，有95%的缺陷率低于百萬分之一。